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大豆连作土壤线虫群落结构的影响

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植物营养与肥料学报2015,21(4):1022一1031JoumalofPlantNutritionandFertilizerdoi:10.11674/zwyf.2015.0422http://www.plaJltnutrifert.org大豆连作土壤线虫群落结构的影响王进闯1一,王敬国h(1中国农业大学资源与环境学院,农业部植物营养学重点实验室,北京100193;2中国热带农业科学院环境与植物保护研究所,海南海口571101)摘要:【目的】由根系活动引起的根际微生态系统的改变,特别是病原生物数量的增加是导致作物产生连作障碍的主要因素。其中,植生性病原线虫的危害是大豆连作障碍产生的重要原因之一。由于植生性病原线虫的存在往往受到其它营养类型线虫的影响,因而从线虫群落结构进行分析,不仅可以更好地反映不同营养类型的线虫之间的相互关系,而且能全面了解土壤的健康状况。本文利用末端性片段长度多态性分析(T—RFLP)和实时荧光定量PcR(qPcR)等分子生物学的方法,比较短期连作和长期连作线虫群落的差异,揭示长期连作大豆土壤线虫群落的变化规律,理解线虫群落与植物健康的关系,阐明线虫群落的变化在大豆连作障碍中的作用。【方法】首先,基于16srDNA的T—RFLP指纹图谱,分析土壤中线虫的物种丰富度和不同大小的末端性片段(T—RF)的相对丰度。然后,通过构建克隆文库和系统发育树,鉴定T—RF片段对应的线虫种类。最后,利用qPcR,采用绝对定量的方法确定线虫群落的大小。【结果】线虫的物种丰富度随着连作年限的增加呈逐渐降低的趋势。第1年物种丰富度最高,第3年的丰富度显著低于第1年,之后逐渐降低,9年之后保持不变。大豆根际土检测到16个T—RF,且大多数T—RF能从克隆文库中鉴定。其中,食细菌线虫(Acro捌oid∞)是最为丰富的线虫种类。在连作2~3年后,植物寄生线虫相对丰度增加,而在连作后期,植物寄生线虫相对丰度减少。非度量尺度分析(NMDs)示,第1年线虫群落与其余年限分开,而第2和第3年聚集较近,而连作9、11和13年后聚集较近。另外,线虫群落结构与pH、土壤有机质(sOM)、速效磷(AP)、细菌数量和真菌数量相关。线虫群落总丰度呈先增后降的趋势,最高值出现在第6年。线虫的基因拷贝数与土壤NHf和染料木因浓度呈显著正相关,而与N03_和细菌的基因拷贝数呈显著负相关。【结论】大豆根际土壤中,线虫群落丰度在连作第2~3年下降最为明显,到第6~9年有一定的恢复,但不能完全修复。大豆种植为第一,基线虫属(556bp)丰度最高。土壤功能正常,连作第2~3年后,摄食性线虫(555bp、558bp、560bp等)丰度增加,线虫浸染机会增加。关键词:连作;大豆;线虫群落;T—RFLP;定量PcR中图分类号:s344.4:S432.4+5文献标识码:A文章编号:1008—505x(2015)04—1022—10EffectsofcontinuoussoybeanmonocultureonsoilnematodecommuIIityWANGJin—chuan911’,WANGJing—guo¨(Jcof如鲈矿胍ourceso以En秒iron,船mof&如Mes,c砌m∞i心eAgr把“f£¨mzu凡i"e璐i巧,/肘(Mj&yk60m£o,y矿州omⅣ以m幻n,&彬ngJDDJ刃,吼i№;2眈";ron础mⅡ蒯科omAcode叫矿聊如nf船啦Mf£urnfPro把cfio凡h疵me,sc如,lce,H0i幻u,讹i眦n57JJOJ,傩im)toAbstract:【objectives】soybeancontinuousmonoculture.parasiticnematodesnamelycystofdisease—causingyielddecreaseandsoilsincknessinthenonheastchinahavebeenattdbutedresourcesContinuoussoybeanmonoculturemaypmvidepreferentialfoodforspeei6cplant—nematode(日e把rodemg如ines),resultingintheincreaseincompetitiVeadVantageplant—parasiticnematodesoverben幽cialfke-livingfo瑚s,withresultingeconomiclosses.Thus,anunderstandingdynamicsofnematodecommunitiesincontinuousmonocultureisofsoybean.importantaspectofsoilsicknessWeusedtoteHninalrestrictionsoilfhgmentlen醇hpolymo叩hism(T—RFLP)soilstakenf而maandfieldQuantitatiVePCR(qPCR)assaysestimatenematodecommunityinlong—te珊experimentwith收稿日期:2叭4—03—17接受日期:2014—05—27网络出版日期:2015—05—06基金项目:国家自然科学基金(40871121)资助。作者简介:王进闯(1976一),男,河北邯郸人,博士,主要从事微生物生态学研究。E—mail:jinchuangwang@yah00.com}通信作者Tel:0lO一62732198,E—mail:wan舀g@cau.edu.cn万方数据4期eontinuoussoybeanmonocultureup王进闯,等:大豆连作土壤线虫群落结构的影响l3years.1023toTheobjectiveofthisstudywastoinVestigatewhetherthedyn哪ieofsoildumtionsofcontinuoussoybeanpmcessesinfke—livingnematodesandplant—parasiticnematodeswithincreasingmonoculturearehnkedtosoilsickness.【Methods】AccordingwereT—RFLPassaysweretousedtoestiInatestmeturenematodecommunityinrhizospheresoils.abundancesofdifkrentsizesofT—RFRF,aclone1ibrarywasT—RFLPanalysis,InordertothespeciesrichnessandrelatiVetodete珊ined.assignphylogenetic搬liationtreespecificT—constmctedusingthepMD19一TVector.PhylogeneticwasconstIuctedusingtheMEGAsoftwarewiththeKimuratwo_parametermethodfordistancematrixcalculationsandthemethodforthetreeneighbor-joiningrhizospheredesign.FinaUy,quantitativePCRwasusedtoassessnematodecommunitysizesinsoils.【Reslllts】Theyearspeciesrichnessofnematodecommunitiesisdecreasedar印idlytothelowestValueintheninthandthenremainsconstantf而mtheninthyeartothethirteenthyear.TheT—RFLPanalysisofnematodearegeneshowsthatthenematodecommunitiesinsoybeanrhizospheresoilofthenonheastChinadominatedbyAcr06e如id邯.areTherelativeabundancesofplant—parasiticnematodeinthesecondyearandthirdyearofmonoculturetohigherthanthosef而mthesixthyear13thyear.Thefbe—liVingnematodesarearemoreabundanceinthefirstyearandlessabundanceinthesecondyearandthirdyear,andmoreabundancef南mthesixthyearonwards.Noomnivores—predatorsareidentified.Thenonmetricmulti—dimensionalscaling(NMDS)indicatesthatthenematodecommunitiesinrhizospheresoilcollectedf.romthe9th,1lth,and13thyearsoutsideofthefirstthreeyears.Thisresultsuggeststhatthedifkrencescloselyclustertogether,ofnematodecommunitiesmeasuredbyHoweVer,thenematodecommunitiesnematodecommunitycompositionTheabundanceoftopairwiseBray—Curtisdissimilaritieshavelesschangeinthefirstthreeyears.a11ehighlydifkredbetweensubsequentyearsandinitialyears.Funhe珊ore,theisaⅡbctedbyavailableP,soilo唱anicmatter(SOM),pH,bacterialtoandfungalabundance.nematodecommunityisincreasedfromtheflrstyearyear.sixthyear,andthendecreasedf而mtheninethyearto13thInaddition,theabundanceofnematodecommunityispositivelycon.elatedtoNHfandgenisten,andisnegativelycoITelatedNofandbacterialabundance.【condusio玎s】Thespeciesrichnessandrelativeabundanceofnematodeisdecreasedsigni6cantlyinthesecondandthethirdyearofsoybeanmonoculture,andreViVedthe6thtofo册thethe9thyeartosomeextent,butnotcompletely.Inthefirstyearofsoybeanculture,theabundanceofsoilfunction.InthefoⅡowing2and3years,Acre6e幻id酷istheh噜hest,representinghealthyandno硼alabundanceofplant—parasiticnematodeisincreased,indicatingthehighriskofdiseaseinfection.7I’he10werratiooffbe—liVingnematodestoplant—paI.asiticnematodeinthesecondyearandthirdyearcouldrespondtothepotentialseVerityofthedisease.1【eywords:continuousmonoculture;soybean;nematodecommunity;T—RFIP;qPCR土壤健康是农产品产量和品质的重要保证,土壤生物的群落结构决定了土壤的健康状况,土而壤生物群落结构的变化可作为土壤变化的早期预警生态指标…。线虫群落包括不同营养类群:植物寄生线虫、食细菌线虫、食真菌线虫、捕食性和杂食性线虫,是土壤动物中数量最多、功能最丰富的一类㈨。虫影响着土壤有机质分解和养分循环以及病害的线发生,被认为是土壤健康状况的敏感性指示生物‘3|。具有刺激作用有关H‘5J。短期连作(<5~6年)可引起大豆胞囊线虫种群迅速增加,导致作物的发病率升高,使大豆减产∽J。然而,土壤生态系统具有一定的自我修复能力,长期连作的土壤中出现了抑制孢囊线虫的因素一J。如随着大豆连作年限的增加(>5~6年),大豆胞囊线虫种群密度减少¨j。虽然长期连作使非抑制线虫土壤转变成抑制线虫土壤的机理仍然不清楚,但普遍认为连作过程中环境变化可能起到驱动作用。连作在改变土壤条件的同时,也改变了土壤线虫的生存环境,导致线虫种群和群落结构的变化。如Castro等发现钾(K+)、铵态氮(NHf)和硝态氮(NOf)等无机离子能抑制南方根研究认为,植物寄生线虫中孢囊线虫(Hetemdera)属的大豆孢囊线虫(胁据r0如mg扣i删)是引起大豆连作障碍的重要原因之一,与植物根系释放的化感物质对植物寄生线虫卵的孵化万方数据接线虫(胁foidog妒ei船哪i纪)二龄虫的生长一J。另植物营养与肥料学报21卷外,连作土壤引起的土壤微生物群落的变化也是关键的因素。与短期连作相比,长期连作导致微生物寄生到大豆胞囊线虫的数量更多¨引。在一些土壤中,食线虫菌物被毛孢(觑瑙M£e耽卿.)属的真菌寄生被认为是主要原因,这些真菌更多地寄生在二龄线虫上,抑制了土壤线虫病害的发生¨1I。也有人认为,几种根瘤菌和未培养的变形细菌能抑制孢囊线虫¨2|。近年的研究表明,健康土壤大豆根际微生物具有控制胞囊线虫数量的作用¨0’”J。目前,关于长期连作影响线虫的研究,大多局限于对特定植物寄生线虫种群如大豆胞囊线虫的影响,而从线虫群落的角度去理解大豆连作的研究鲜见报道。在土壤生态系统中,单个生物群体的存在是多种生物之间和生物与非生物的环境因子之间相互作用的结果,因而利用群落结构作为指标比用单个属或科更全面、更可靠¨4I,因为这样能够更好地反映土壤生物间的相互关系,更全面地了解土壤健康状况。通常研究土壤线虫群落结构的方法是形态分类,这需要具有分类经验的专业技术人员,而且在鉴定上费时费工,很难在短期内获得结果¨川。同时,鉴定的结果往往是在属、科和营养类群的水平,使生态分析往往比较模糊或表面化¨6|。形态分类的另一个缺点是只能鉴定成虫标本,而成虫仅是全部线虫群落的很小的一部分Ⅲo,不能全面反映土壤的线虫状况。利用分子生物学方法的一个优点是不必分离和培养线虫,仅通过设计引物就可以鉴定一个土壤系统中的线虫群落。末端性片段长度多态性分析(T—RFLP)已被证实是研究不同生境中线虫群落的有效方法’18‘21J。本文利用T—RFLP和qPCR技术,研究了长期大豆连作根际土壤中线虫群落的结构和丰度的变化,特别是比较短期连作和长期连作线虫群落的差异。另外,通过相关性分析,确定引起土壤线虫群落变化的主要驱动因子,有助于理解长期连作大豆土壤线虫群落的变化规律。1材料与方法1.1试验区概况供试土壤样品采自于黑龙江省农科院土肥所长期连作试验小区,该试验建于1996年,有1~13年的大豆连作小区。年平均降水550mm,80%的降水集中于6~9月份,气温波动从一18℃(一月份)到23℃(六月份),年霜冻持续160天。万方数据1.2大豆品种供试大豆材料为合丰25号。选用的品种适应性强,且茎秆坚韧、节间短小、结荚密实,因而它有适应性强、高产和早熟等优良特性。目前,合丰25号是黑龙江省主要的种植品种。2009年4月,开始种植大豆,播种密度为每平方米30颗种子,每个样地包括10行(长×宽为15m×0.67m),按当地推荐的施肥量施用底肥(N50kg/hm2、P45kg/hm2和K50kg/hm2)。1.3土壤样品采集与制备在试验田采用“Z”形设点,于2009年9月12日大豆成熟期取样,选取种植大豆1、2、3、6、9、11和13年的试验小区,收获30株大豆,连根拔起植株。用抖根法采集根际土,即抖动植株至土壤不再下落,粘在根系的即为根际土壤。土壤样品含水量为(16±3)%。根际土壤过2mm筛,去除植物组织和土壤杂质。采集的样品放于冰盒中运回实验室,一20℃保存。测定土壤样品中的总氮(N)、有机质(SOM)、铵态氮(NHf)、硝态氮(N0f)、交换性钾(EK)、有效磷(AP)和pH[22|,类黄酮总量、大豆苷元和染料木素测定用超高效液相色谱(uPLC)心3。24],土壤理化性质及类黄酮总量、大豆苷元和染料木素含量见表l。1.4土壤总DNA的提取和PCR扩增1.4.1土壤总DNA的提取本实验的土壤DNA提取采用FastDNASPINKitforSoil试剂盒(Bio101,carlsbad,cA,usA)。提取出来的土壤基因组DNA在~20℃冰箱中保存、备用。DNA通过1%的琼脂糖凝胶电泳后,用DNAgreen染色,成像系统拍照。1.4.2PCR扩增和纯化线虫扩增引物对为NEMFl(5’一CGCAAATTACCCACTCTC一3’)和S3(57一AGTCAAATTAAGCCGCAG一3’)¨引。进行T—RFLP分析时,引物NEMFl5端用6一羧基荧光素(FAM)标记。PcR反应体系(50斗L)含DNA模板l斗L,EasyTaq缓冲液5斗L,dNTPs(2.5mmoL/L)4斗L,NEMFl(10mmoL/L)0.6¨L,S3(10mmoL/L)0.6灿,Easytaq聚合酶(5units/pL)(全氏金)0.6斗L,双蒸水(ddH20)38.2斗L。PcR扩增条件为94℃预变性5min,35个循环:94℃变性1min,53℃引物退火45s,72℃延伸1min。最后72℃末端延伸10min。PCR产物3恤L用1%琼脂糖凝胶电泳检测,使用凝胶回收型试剂4期王进闯,等:大豆连作土壤线虫群落结构的影响盒(天根生化科技(北京)有限公司)对PCR产物纯化,一20℃保存。1.5美国),共10斗L混合液,然后加到96孔板,要避免产生气泡,否则可能损坏遗传分析仪。在95℃变性3T—RFLP分析在3斗Lmin,然后迅速移到冰上冷却3min。在ABI3130Ma,PcR产物中,加人0.6¨L砌I性自动测序仪上检测时,电压为2500V,电流40内切酶(Takara),2灿缓冲液,最后用ddH:0补足到反应总体积10山。65℃,遮光酶切3h。酶切产物用乙醇沉淀法纯化,纯化产物用锡箔纸包裹,在功率27w。末端带荧光标记的片段能被自动检测到,而其它没有带荧光标记的片断检测不到。用PeakScannerSoftwarev1.0分析T—RFLP图谱,然一20℃下保存。在1止酶切纯化产物中加入8.8止甲酰胺,0.2灿Rox1000内标(BioventuresInt.,后将末端性片段(T—RF)>50bp的峰高计算不同片段的相对丰度。表1大豆连作根际土壤性质、类黄酮、大豆苷元和染料木素含量Table1Sonpropeni鹤andconcentr拍ons0verofisonavon鹤,daid神inandgenisteinintheⅢz惦pheresonyearsofmonO-cropping注(Note):同列数据是平均值加标准误Da【elettersmeallsignificantandaremeans±sD(n=3).不同的字母表示在P<O.05水平上年份问存在显著差异DifferentP<0.05di艉rence锄0ngdi雎rentyearsatlevel.数据来源于Guo等[221和waIlg等[23]Dataaread印tedfmmGuo“Ⅱf.[22]Wallg钟口f.[23|.1.6克隆及测序分析机选取170个白色克隆子,采用菌体直接扩增,检测到的阳性克隆送往测序公司进行测序,测序引物为M13—47。先用clustalx软件对所得序列去除载体序列∞1,然后利用RDPⅡ在线数据库(http://wdcm.nig.ac.jp/RDP/cgis/chimera.cgi?su=SSU)用与T—RFLP序列相同但不带荧光标记的引物进行PCR扩增,扩增条件也与T—RFLP的相同。以PCR产物进行切胶回收纯化。纯化产物采用pMD19一TVector(Takara)试剂盒连接到载体上,转化感受态细胞(Takara),涂布到含有氨苄青霉素(AmpiciUin)、x—Gal和IIyrG的LB(Lu而a—Bertani)去除PCR扩增过程中产生的嵌合体。然后用clustalx和Mega5.0软件分析比对,采用邻接法培养基上,37℃过夜培养,约12h,形成单菌落。随万方数据(ne培hbor_joining)构建系统发育树。1026植物营养与肥料学报21卷1.7实时荧光定量PCR利用实时荧光定量PcR,采用绝对定量的方法确定线虫群落的大小。用阳性克隆质粒绘制线虫基因的定量PCR标准曲线。引物为NEMFl/NEM896r(5’一TCCAAGAATTTCACCTCTMACG一3’)。实验采用PowerSYBRGreenPcRMasterMix试剂盒(ABI),在7500RealTimePCRsystem(ABI)仪器上进行。实时荧光定量PcR25灿反应体系为:12.5斗LSYBRGreen;弓I物各1“L(10肛moL/L),5斗LddH20,0.5卜LLBSA(0.1%),模板DNA5¨L。反应程序为:50℃2min,启动duTP防止非特异性扩增;95℃10min,激活热启动酶;然后45个循环的PcR反应:94℃变性1min,53℃引物退火45s,72℃延伸1min,72℃收集荧光信号,最后做溶解曲线。根据标准曲线,用7500systemSDSsoftware(ABI)分析定量结果。1.8数据处理利用Mentaltest确定环境因子对线虫群落的影响。布雷柯蒂斯(Bray-cunis)距离用来进行非度量尺度分析(NMDS),分析群落的变化。Mentaltest和NMDS均在R软件vegan软件包中进行。方差分析和相关性分析在SPSS17软件中进行。2结果与分析2.1线虫群落结构‘线虫的物种丰富度随着连作年限的增加呈逐渐降低的趋势。第1年物种丰富度最高,为12,第3年的丰富度显著低于第1年(P<0.05),之后逐渐降低,连作9年后达到最小值,为5(图1)。T—RFLP图谱显示,线虫群落结构在连作期间发生了变化(图2)。大豆根际土检测到16个末端性片段(T—RF),包括:62bp、73bp、74bp、75bp、416bp、418bp、522bp、549bp、553bp、555bp、556bp、557bp、558bp、559bp、560bp、562bp。毒萋中74bp、75bp、555bp、556bp、557bp、558bp、559bp、560bp、562bp为主要片断,其余片断相对丰度均小于5%,且加和小于11%(图2)。线虫群落在不同连作年限中相对丰度最高的T—RF均为556bp,且随连作年限增加呈波动性变化。T—RF556bp第1年的相对丰度为86%,然后分别下降到第2年和第3年的49%和41%,在第6、9、11、13年,T—RF556相对丰度又分别增加到61%、90%、75%和78%。T—RF555在第1年没有检测到,但在第2年和第3年的相对丰度分别高达15%和万方数据蜊恤*2熏蟀们器81a.2型4Ol23691113连作年限(a)CroppingyearS图1长期连作大豆根际土壤线虫群落的物种丰富度变化Fig.1Changesofspeci鹳richnessofnematodecommullitiesinlong-temcontinuo吣soybeanmonocuIture[注(Note):数据是平均值加标准误Datearemeans±sD(n=3).方柱上不同字母表示在.P<0.05水平存在显著差异DifferentlettersabovebarsaresignificantlydiⅡbrentatP<0.05level(accordingtoDuncan’snewmultiplera“geIests).]19%,然后下降到第6年的7%和第9年的2%,后两年维持在6%和5%。T—RF557第1年的相对丰度为3%,在第2和第3年分别增加到7%和11%,之后,维持在3%~4%。T—RF74从第1年的0.6%分别增加到第2、3和6年的2%、8%和12%,然后分别降到第9、11和13年的1%、8%和10%。T—RF562和558只有前两年能检测到,并且第2年的相对丰度都比第1年的高。T—RF559先从第1年的2%增加到第2年的5%和第3年的9%,然后在第6年下降到3%,之后没有检测出。T—RF560从第1年的2%增加到第2年的8%,在从第6年到第13年期间只有第11年检测到3%的相对丰度(图2)。2.2线虫群落组成与环境的关系T—RFLP分析中的大多T—RF能从克隆文库中鉴定(图3)。在大豆根际土中,线虫群落由茎线虫属(Dif咖加危淞对应416bp和556bp)、真滑刃属(Ap危efe眦^圳对应553bp)、拟丽突属(Acr06efoid船对应62bp、74bp、556bp和557bp)、针属(Por0£化聊^淞对应418bp、549bp、555bp和558bp)、盘旋属(Ro£yfew忍瑚对应562bp)、孢囊属(三kero如r口对应559bp和560bp)、中小杆属(讹so地06砒括对应73bp、75bp和522bp)组成。线虫群落主要分成植食性线虫、食细菌线虫和食真菌线虫,没有检测到杂食性线虫(图3)。4期王进闯,等:大豆连作土壤线虫群落结构的影响化,随着连作年限的增加,线虫群落进一步分化,暗otllersT—RF74T—RF555T—RF556T—RF557T—RF558T—RF559T—RF560T—RF562示了连作时间对线虫群落结构并没有恢复。Manteltest分析显示环境与线虫群落之间存在显著的关系(相关系数r=0.368,P<O.001),暗示了环境条件对于群落的变化起到了部分的作用。线虫群落结构与pH、土壤有机质(sOM)、速效磷(AP)、细菌数量和真菌数量相关(图4)。2.3定量分析连作年限Croppingyears随着连作年限的增加,线虫丰度逐渐增加,在第6年达到最高值,然后又开始下降(图5)。线虫的基因拷贝数与土壤NHf和染料木因(genistein)浓度呈显著正相关,而与NOf和细菌的基因拷贝数呈显著负相关(图6)。^图2长期大豆连作线虫群落的结构和组成(基于线虫基因的T—I帆P分析)Fig.2GDmposinonsandstructlIr幅OfneImtOdeI佃g-tem∞n伽uoussoyb咖mon眦ultIlre淞deteminedbytheT—RFLP粕alysiscommllni廿鹤intheJl习化在长期连作情况下,会出现由致病土壤向抑病、I.、^NMDs分析显示,第1年线虫群落与其余年限分开,而第2和第3年聚集较近,后面第9、11和13年聚集较近(图4)。说明短期连作导致了群落的明显变99广556bp土壤的转化。例如,许多地方的研究表明持续连作使土壤出现自然抑制病原线虫的现象¨J。欧洲的54。,Ibd,篙8僦~帆胁印・埘s雌嚣≯l‘一AY284583.(bsfe”c|jlz‘占f,.Ⅱn七盯H口P97—.到LAY284637坷叼,f绷如^淞印.・l一Ⅲ食真菌线虫F衄西vor髓啦≯……一驯l557广一AY284662.1一C印砌,D船p8坶卿f食细菌线虫Bac谢voI℃s74bpbp—吲厂555bp93广一EU669919・C忉口肌B舷出葛簧端6~砌一觑8纠r555bp89I厂418bpL558bp植食性线虫Plantpa瑚sites99厂562bp———厂LAJ966503琅。纱^蹦曲淞,D6淞f淞EU306355・胁f伽d白Ⅵsc.Il口c枷‘100II9爿560bpL559bpQ:Q主lFig.3Phylog蚰e6cnl拍onsMp一Ⅲ…船咖I燃一FJ435718.1黝加括c嬲以,Pfns;万¨7567L广522bpbpI食细菌线虫Msu73452.^缅D砌口6硪出sp.IBac倒vores1o图3线虫克隆文库系统发育树ofrepr幅蚰ta廿、他ne瑚todecIonesequenc豁万方数据植物营养与肥料学报21卷图4NMDS分析长期大豆连作的线虫群落结构与环境的关系Fig.4No咖etdcmIIlti-dime璐ionalscaling(NMDS)plotssho、vings岫mari蚵betw神nnematodeco咖∞uni姆st瑚ctllr骼fromtlIecontinuo哪soyb朗nmonoclllturesystem[注(Note):BA一细菌丰度;FA一真菌丰度;AP一速效磷;s0M一土壤有机质.]A’黍辩∞一连作年限Croppingyears图5长期大豆连作线虫的基因拷贝数变化Fig.5Genecopi鹤ofsoilnematOdeiIlthelong-te珊continuo吣soybeanmonocultllre[注(N0le):数据是平均值加标准误Datearemeans±SD(n=3).不同字母表示在P<O.05水平年份间存在显著差异Di&rentlettersmeaIlsi驴i6caIltdi雎renceamongdi雎rentyearsatP<0.05level(accordingtoDuncan’snewmultiplemngetests).]的密度Ⅲ1。在我国东北地区,大豆连作前5年,胞g土增加到351个,之后开始下降,并在连作14年后降到260个∞J。本研究结果表明,不同连作年限大豆土壤线虫bp为优势营养类群,其对应着自由生活线虫类群(图2和3)。说明了在大豆第1万方数据进有机质分解和养分周转速率,有利于增加养分的释放并提高植物对土壤养分的利用旧7|。在连作2年后,556bp相对丰度减少,555bp、558bp、559bp、560bp和562bp的相对丰度增加,这些T—RF片段对应着孢囊线虫(胁£erD如m)、盘旋线虫(尺。驰础邯)和针属线虫(儿m啦础w)等植食性线虫(图3),说明在2年连作后,植食性线虫增加,大豆易于受到线虫的危害。而且在大豆自毒作用等其他因素的影响下,连作大豆会出现发育不良,致使线虫侵染机会增加旧8|。寄生线虫对植株同化物、氮素和其它养分的大量消耗,使植物根系受到伤害,生长受阻旧8I。此外,大豆幼苗的生长不良更容易引起病原微生物的侵染及植食线虫的侵染旧8|。值得注意的是,第3年连作后,线虫的物种丰富度减少,560bp和562bp对应的植食性线虫没有检测到,而555bp和559bp对应的植食性线虫相对丰度增加,植食性线虫仍然保持着高的相对丰度。可能说明线虫群落内存在种间竞争,而且不同生物间的相互作用,使得一些物种数量降低或者在微生物的作用下减少了线虫的种类旧J。大豆短期连作减少了土壤食物网中捕食微生物线虫的数量,引起了根际土壤微生态系统破坏的这种现象,也发生在香蕉和苹果连作上¨≯…。然而,随着连作年限的增加,物种的丰富度进一步减少,556bp对应的捕微生物线虫、557bp和74bp对应的拟丽突属(Acr06e肠id酷)的食细菌线虫增加,而植食性线虫相对丰度减少(图1~图3)。说明在连作超过6年后,线虫以捕微生物线虫为主,可能使病害减轻,但是群落种类数量减少,线虫群落趋于简化。这可能主要是因为在连作6年后,有益微生物对包括植物寄生线虫在内的病原生物产生抑制作用,从而有利于植物根系和植株生长转好口1|。根系的良好发育,可能为细菌的生长创造了条件,一些机会主义的食细菌线虫(Acr06efoi拙和朋邯。也06如厶)数量增多,与植食性线虫竞争,减少了植食性线虫的数量日2I。土壤线虫群落的变化并不是偶然的,其消长通常受土壤理化性质和微生物的影响口3I。本研究发现,线虫群落结构受有机质、有效磷和pH值的影响,而且细菌和真菌的数量也影响着线虫结构(图4)。土壤有机质是影响土壤线虫分布的重要因素旧4|。土壤有机质为土壤微生物提供了能源,因此增加了微生物的活性和生物量。一些食细菌线虫的增加可能是由于微生物生物量增加引起∞5|。另外,土壤pH降低通常减少了细菌生物量而有利于真菌荞麦连作减少了胞囊线虫(胁把r0如m。抛noe)种群囊线虫数量每250种类数量和群落结构都发生了不同程度的变化。在种植大豆第1年,556年自由生活线虫参与的土壤功能能够正常发挥,促4期王进闯,等:大豆连作土壤线虫群落结构的影响∞墨i童薏萼曩困眭臻o奄瓷3t潮砗lnoZ獾∞线虫基因拷贝数对数Lgn锄atodcgenecopiespergramdrysoilweight图6长期大豆连作土壤中线虫群落基因拷贝数和环境因子的关系Fig.6NematodecommuIlitygenecopi鹤嬲sociation喇then、,iro砌entalfactorsinthelong-temsoyb啪monocllltllre生物量,这样的变化能够反映在捕食微生物的线虫群落变化上口6‘”J。番茄连作过程中,pH值与垫刃于食微生物线虫对土壤微生物量响应的滞后性引起。有研究发现,线虫数量往往是在土壤中细菌减少几个月后才减少ⅢJ。在连作9~13年期间,线虫数量减少,一方面可能由于减少了植食性线虫数量∞J,另一方面可能是细菌和真菌的数量处在一个较低的水平,不能提供充分的食物。线虫丰度的变化与NHf、NOf、根系分泌的染料木因和细菌丰度有关(图6)。线虫丰度与NHf呈正相关。sanchez—Moreno等也发现,在不同的耕作模式下,中小杆线虫属(M部。小血6如b)和拟丽突属(Acr06e如i如s)与NH?呈正相关,可能增加了N的矿化旧引。细菌丰度和线虫丰度的负相关说明捕食压力可能影响着总的细菌群落。染料木因与线虫丰度呈正相关。陈宏宇发现,盆栽的敏感大豆品种增加了根际大豆胞囊线虫数量。这说明根际活动刺激了线虫的生长和繁殖∞J。因此,植物的生理状况对线虫的数量也产生影响。线虫丰度与N0f呈负相关。已有研究表明,食真菌线虫滑刃线虫属科(批w矗id伽)线虫数量呈正相关,还有一些滑刃线虫(却危efeM危oid酷spp)对pH值具有较强的忍耐性旧2|,说明不同的线虫种类对pH值的响应存在差异,可能引起群落变化。土壤磷含量高能增加线虫的丰度,特别是食细菌线虫数量,改变了食真菌和食细菌线虫数量旧7|。王邵军等旧副发现,柳杉根际的速效磷与垫刃线虫(7弛M危usp砌弘印危。如)及居尾滑刃线虫(Ap捌e凡如oi如co唧础把ok)数量正相关,而与厄萨拉斯螺旋线虫(胁Z泐船fe凡如w戈Ⅱf2w)和双宫螺旋线虫(胁Z泐啦n如w击^弘£em)无关。这些结果说明连作引起的土壤性质的改变引起了土壤线虫群落的分化。另外,细菌和真菌是捕食微生物的食物来源,微生物的数量对线虫群落结构的调节也十分明显‘33|。随着连作年限的增加,线虫群落基因拷贝数逐渐增加,并在第6年达到最高值,然后逐渐减少(图5)。第2~3年线虫数量的增加可能与植食性线虫的数量增加有关。陈宏宇发现,在连作5~6年内大豆胞囊线虫数量呈逐年增加的趋势[6]。我们的研究发现在第6年,细菌和真菌的数量都很少旧9|,但线虫群落基因拷贝数达到了最大值。这可能是由万方数据(和^efe聊^oi如)与NOf具有相关性,NOf能通过影响食真菌线虫数量影响线虫的总数量口31。本研究中并没有检测到捕食/杂食线虫(Omnivores-predators)。这可能是由于研究方法的差异。本研究主要研究根际土,而且DNA是从1030植物营养与肥料学报21卷0.5g土壤中提取,不能全面地估计线虫分布。因此,为了更全面研究线虫群落结构,需要经典分类和分子技术相结合脚1或从更多质量的土壤中提取DNA,再用高通量的测序方法进行群落结构鉴定‘43|。4结论总之,大豆连作改变了线虫群落的结构和数量。在连作早期,植物寄生线虫增加,可能是导致短期连作大豆减产的重要原因,而在连作后期,植物寄生线虫减少,减轻了对大豆的危害,但由于种群趋向单一,产量不稳。线虫群落结构的变化主要受到土壤有机质、pH值、速效磷、细菌和真菌数量影响。随着连作年限增加,线虫基因拷贝数呈先增后降的趋势,最高值出现在第6年。线虫的丰度与NHf和染料木因呈正相关,与细菌的数量和N0i呈负相关。本研究有利于深入理解大豆连作障碍和长期连作后形成植物寄生线虫的抑病土壤的机制。参考文献:[1]杨树泉,沈向,毛志泉,等.环渤海湾苹果产区老果园与连作果园土壤线虫群落特征[J].生态学报,2010,30(16):4445—4451.YangSQ,Shenx,MaozQ酣口f.characterizationofnematodecommunitiesinthesoiloflong一8t柚dingversusreplantedappleorchardssuⅡ_oundingBohaiGulf[J].ActaEcolo舀casinica,2010,30(16):4445—4451.[2]邵元虎,傅声雷.试论土壤线虫多样性在生态系中的作用[J].生物多样性,2007,15(2):116—123.ShaoYH,FuSL.Thediversityandfunctionsofsoilnematodes[J].Biodiversityscience,2007,15(2):116—123.[3]FreckmaIlDw.Bacterivomusnematodesando唱anic—matterdecomposition[J].AgTiculture,Ecosystema11dEnvimnment,1998,24(1—3):195—217.[4]Ma础uneT,AnetaiM,Takasu矛M甜8z.Isolation“anafuralhatchingstimulus,glycinoeclepin[J].Nature,1982,297:495—496.[5]HalbrendtJM.Allelopathyinthemanagementofplantpamsiticnematodes[J].JoumalofNematology,1996,28(1):8—14.[6]陈宏宇.不同品种和不同茬口大豆根面及根际的微生物群落结构分析[D].北京:中国农业大学博士学位论文,2005.ChenHY.Microbialcommunitiesintherhiz叩laneandrhizosphereasaffectedbysoybeaJlcultivara11dcroppingsystem[D].Be巧ing:PhDDissertation,chinaAgriculturalUniversity,2005.[7]chens,DicksonDw.Biolo西calcontmlofplantparasiticnematodes[J].Mallzanilla—kpezRH,MarbaIl-MendozaMPmcticalplantnematology[c].Guadalajara,Jalisco,Mexico:万方数据Colegi0dePost铲aduadosaIldMundi—Prensa,BibliotecaBasicadeA萌cultum,2012.761—811[8]zhuYB,shiFY,TianJQe£口f.E归FectofsoybeaJlmonocultureonthebacterialcommunitiesassociatedwithcystsof,&把ro出mg咖i,瑚[J].J0umalofNematology,2013,45(3):228—235.[9]CastmCE,BelserN0,MckinneyHE.stmngrepellencyofthemotknotnematode,胁如坷99,御i,岫99ni抛byspecificino唱anicions[J].JoumalofchemicalEc0109y,1990,16(4):1199—1205.[10]sunMH,Liuxz.suppressivesoils0fsoybeanoystnematodeinChina[J].ActaPhyt叩athologicasinica,2000,30:353—356.[11]xiaJlgMc,xiangPA,Jiangxz甜of.DetectionaJldquantificationofthenematophagousfungus日irs“£e皿nmin,琊o£em括insoil谢threaI—timePcR[J].AppliedsoilEcology,2010,“:170一175.[12]YinB,ValinskyL,GaoxBe£Df.BacterialrRNAgenesassociatedwithsoilsuppI℃ssivenessagainsttheplant—parasiticnematode而『e把ro如m5c^Ⅱc^撕[J].AppliedaJldEnvimnmentalMicrobiology,2003,69:1573一1580.[13]chensY.suppressionof砌er0出mg蜘i麟insoilsfromfieldswithlo“g—te册soybeaJlmonoculture[J].BiocontIulscienceTechnology,2007,17:125一134.[14]NeherDA,C锄pbeUCL.NematodecommunitiesandmicrobialbiomassinsoilswithaJlnualandperennialcmps[J].AppliedSoilEcology,1994,1:17—28.[15]I丑wtonJH,BigneuDE,BoltonB以口z.Biodiversityinventories.indicatortaxaandeffectsofhabitatmodificationintmpicalforest[J].Nature,1998,391:72—76.[16]YeatesGw,BongersT.Nematodediversityinagroecosystems[J].A鲥culture,EcosystemandEnvironment,1999,74:113—135.[17]GrimthsBs,BengoughAG,NeilsonRe£of.7rheextenttowhichnematodecommunitiesare雒bctedbysoilf如tors—apotexperiment[J].Nematology,2002,4:943—952.[18]waiteIs,O’DonneuAG,HarrisonA以Df.Designandevaluationofnematode18SrDNAprimersforPCRanddenaturinggradientgelelectmphoresis(DGGE)ofsoilcom舢nityDNA[J].soilBiologyandBiochemistry,2003,35:1165—1173.[19]Donns,c面脏thsBs,NejlsonR封口正DNAextmctionf而msoilnematodesfbrmulti—s砌plecommunitystudies[J].AppliedSoilEcolo盱,2008,38:20一26.[20]Edel-He珊annV,GauthemnN,Alabouvettece£nz.Fi“gerprintingmethodstoappmachmultitrophicinteractions枷ongmicmnomandmicmfaunacommunitiesinsoil[J].BiologyaJldFertilitySoils,2008,44:975—984.[21]PalomaLres—RiusJE,castilloP,Montes—BorIegoM酣Ⅱf.Nematodecommunityp叩ulationsintherhizosphereofcultiVatedolivediffersaccordingtotheplantgenotype[J].soilBiologyarIdBiochemistry,2012,45:168—171.[22]鲁如坤.土壤农业化学分析方法[M].北京:中国农业科技出版社,2000.LuRK.Analysismethodsforsoilchemlstryofa咖culture[M].4期王进闯,等:大豆连作土壤线虫群落结构的影响1031Be玎i“g:chinaAgTiculturalscientechPress,2000.[23]Guoz,Kongc,wallgJ甜Ⅱf.RIliz08phereisonavones(daidzeinandgenistein)levelsandtheirrelationtothemicmbialcommunitystnlctureofmono—cmppedsoybeansoilinfieldandcontmlledconditions[J].soilBiologya11dBiochemis‘ry,201l,43:2257—2264.[24]waJlgJ,“x,zhangJ村nz.E艉ctofrootexudatesonbeneficialmicroo玛anisms-evidencefmmacontinuoussoybeanmonoculture[J].PlaIltEcology,2012,213:1883—1892.[25]LarkinMA,BlackshieldsG,BrDwnNP酣nf.Clustalwandclustalxversion2.O[J].Bioir血珊atics,2007,23:2947—2948.[26]Ke。ryBR,CrumpDH.Thedynamicsofthedeclineofthecerealcystnematode,麒船ro如mo钾Me,infoursoilsunderintensivecerealpfoduction[J].Fund啪entalandAppliedNematology,1998.2l:617—625.[27]Fe而sH.Fo砌andfunction:Metabolicf00tp—ntsofnematodesinthesoilfoodweb[J].EumpeanJoumalofsoilBiology,2010,46(2):97一104.[28]阮维斌.大豆连作障碍机理及其措施的研究[D].北京:中国农业大学博士学位论文,2000.RuanwB.Themechanismandregulationofsoybean(G蜘iM盯眦(L.))replaIltingprobl帅[D].B蜘ing:PhDDissenation,ChinaAgIiculturalUniversity,2000.[29]LatalaP.Biologicalcontrolofplant.parasiticnematodes[J].AnnualReviewofPhytopathology,1986,Z4:453—489.[30]钟爽,何应对,韩丽娜,等.连作年限对香蕉园土壤线虫群落结构及多样性的影响[J].中国生态农业学报,2012,20(5):604—611.ZhongS,HeYD,HanLNetⅡf.Efkctofcontinuouscroppingofbananaonsoilnematodecommunitystnlctureanddiversity[J].chineseJoumalofEco-Agr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作者:作者单位:

王进闯, 王敬国, WANG Jin-chuang, WANG Jing-guo

王进闯,WANG Jin-chuang(中国农业大学资源与环境学院,农业部植物营养学重点实验室,北京100193;中国热带农业科学院环境与植物保护研究所,海南海口571101), 王敬国,WANG Jing-guo(中国农业大学资源与环境学院,农业部植物营养学重点实验室,北京100193)植物营养与肥料学报

Plant Nutrition and Fertilizer Science2015,21(4)

刊名:英文刊名:年,卷(期):

报 2015(4)

引用本文格式:王进闯.王敬国.WANG Jin-chuang.WANG Jing-guo 大豆连作土壤线虫群落结构的影响[期刊论文]-植物营养与肥料学

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